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三相异步电动机控制电路常用保护电路

2018-10-15 10:22:47  1606 电源 电动机
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电工之家
三相异步电动机控制电路除了能满足被控设备生产工艺的控制要求外,还必须考虑到电路有发生故障和不正常工作情况的可靠性。因为发生这些情况时会引起电流增大,电压和频率降低或升高、损毁。因此,控制电路中的保护环节是电动机控制系统中不可缺少的组成部分。常用的保护电路有短路保护、过载保护、过电流保护、失电压保护和欠电压保护等。
1、短路保护
在电动机控制系统中,最常用和最危险的故障是多种形式的短路。如电器或线路绝缘遭到损坏、控制电器及线路出现故障、操作或接线错误等,都可能造成短路事故。发生短路时,线路中产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几倍道几十倍,过大的短路电流将会使电器设备 15 或配电设备受到损坏,甚至因电弧而引起火灾。因此,当电路出现短路电时,必须迅速、可靠地断开电源,这就要求短路保护装置应具有瞬时动作的特性。短路保护的常用方法是采用熔断器和低压断路器保护装置。
2、过电流保护
过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流是指电动机或电器元件在超过其、额定电流的状态下运行,一般比短路电流小,不超过6倍的额定电流。在电动机的运行过程中产生这种过电流,比发生短路的可能性要大,特别是对于频繁起动和正反转、重复短时工作时的电动机更是如此。
过电流保护常用过电流继电器来实现,通常过电流继电器与接触器配合使用,即将过电流电器线圈串接在被保护电路中,当电路电流达到其整定值时,过电流继电器动作,而电流继电器常闭触点串接在接触器线圈电路中,使接触器线圈断电释放,接触器主触点断开来切断电动机电源。这种电流保护环节常用于直流电动机和三相绕线转子异步电动机的控制电路中。
3、过载保护
过载是指电动机在大于其额定电流的情况下运行,但过载电流超过额定电流的倍数要小些。通常在额定电流的1.5倍以内。引起电动机过载的原因很多,如负载的突然增加,缺相运行以及电网电压降低等。若电动机长期过载运行,其绕组的温升将超过允许值而使绝缘材料变脆、老化、寿命缩短,严重时会使电动机损坏。
过载保护装置要求具有反时限特性,且不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作,所以通常用热继电器作过载保护。当有6倍以上额定电流通过热继电器时,需经5秒后才动作,这样在热继电器未动作前,可能使热继电器的发热元件先烧坏,所在使用热继电器作过载保护时,还必须装有熔断器或抵压断路器的短路保护装置。由于过载保护特性与过电流保护不同,故不能用过电流保护方法来进行过保护。
4、失电压保护
当电动机正常工作时,如果由于某种原因而发生电网突然断电,这时电源电压下降零,电动机停转,生产设备的运动部件也随之停止。由于一般情况下操作人员不可能及时拉开电源开关。如不采取措施,当电源恢复供电时,电动机便会自动启动运转,可能造成人身设备事故,并引起电网过电流和瞬间网络下降。为防止电压恢复时电动机的自行启动或电器元件自行投入工作而设置的保护,称为失电压保护。采用接触器和按钮控制的启动、停止,就具有失电压保护作用。这时因为当电源电压消失时,接触器就会自动释放而切断电动机电源,当电源电压恢复时,由于接触器自锁触点已断开,不会自行启动。如果不是采用按钮而是用不能自动复位的手动开关、形成开关来控制接触器,必须采用专门的零电压继电器。工作过程中一旦断电,零电压继电器释放,其自锁电路断开,电源电压恢复时,不会自行启动。
5、欠电压保护
当电网电压降低时,电动机在欠电压下运行,在负载一定的情况下,电动机主磁通下降,电流强。时间过长将会使电动机过热损坏同时欠压还会导致一些电器元件释放,使线路不能正常工作。因此,当电源电压降到60%~80%额定电压时,将电动机电源切除而停止工作,这种保护成为欠电压保护。
除上述采用的接触器及按钮制方式,利用接触器本身的欠电压保护作用外,还可采用欠电压继电器来进行欠电压保护。其方法是将欠电压继电器线圈跨接在电源上,其常开触点串接在接触器控制回路中。当电网电压低于欠电压继电器整定值时,(吸合电压通常整定值为0.8~0.85UN,释放电压通常整定为0.5~0.7UN)欠电压继电器动作试接触器释放,接触器主触点断开电动机电源实现欠电压保护。
6、断相保护
电动机运行时,如果电源任一相断开,电动机将在缺相情况下低速运转或堵转,定子电流很大,这时造成电动机绝缘及绕组烧毁的常见故障之一。因此应进行断相保护。
引起电动机断相得原因主要有:电动机定子绕组一相断线;电源一相断线;熔断器、接触器、低压断路器等接触不良或接头松动等。断相运行时,线路电流和电动机绕组连接因断相的形式(电源断相、绕组断相)的不同而不同;电动机负载越大,故障电流也越大。
断相保护的方法有:用带断相保护的热继电器、电压继电器、电流继电器与固态断相保护器等。
电动机的故障大体分为两部分:
一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏。
另一部分是电磁故障,二者互有关连。
如轴承损坏,引起电动机的过载,甚至堵转,而风叶损坏,使电动机绕组散热困难,温升提高,绝缘物老化。电磁故障的原因很多,如电动机的过载、断相、欠电压和短路都足以使电动机受损和毁坏。
http://www.dgzj.com/ 版权所有)过载、断相、欠电压运行都会使绕组内的电流增大,发热量增加(导体的发热量是和电流的平方成正比的),而短路造成的危害就更大。短路的原因是电动机本身的绝缘材料质量差或电动机受潮(在农村是经常发生的,例如受雨淋或落水),以致于绕组的相间击穿,引起短路。此外,还有电动机置于有酸碱物的场所,因受腐蚀而损坏绝缘。
一、电动机的过载及其保护
电动机的过载除上述原因外,还有:
a.电动机周围环境温度过高,散热条件差;
b.电动机在大的起动电流下缓慢起动:
c.电动机长期低速运行;
d.电动机频繁起动、制动、正反转运行及经常反接制动。
电动机的过载由于电流增大,发热剧增,从而使其绝缘物受到损害,缩短了其使用寿命甚至被烧毁。对于过载通常保护如下:
在电动机的控制回路中,常装有双金属片组成的热继电器,它利用膨胀系数不同的两片金属。在过载运行时、受热膨胀而弯曲,推动一套动作机构,使热继电器的一对常守触头断开,起到过载保护作用。
一般选择热元件时:
动作电流=电动机额定电流*(1.1~l.25)
二、三相异步电动机的短路保护
电动机短路时,短路电流很大,热继电器还来不及动作,电动机可能已损坏。因此,短路保护由熔断器来完成。熔断器直接受热而熔断。在发生短路故障时,熔断器在很短时间内就熔断,起到短路保护作用。由于存在热惯性,当发生短路事故时,热继电器不能立即断开,因此它不能用作短路保护。正是由于热继电器的热惯性,才使得它在电动机起动或短时过载时不会动作,从而避免了电动机的不必要的停车。
在单台电动机的起动电路中,为了防止电动机起动时较大的电流烧断熔丝,熔丝不能按电动机的额定电流来选择,而应按下式计算: 熔丝额定电路≥电动机启动电流 / 2.5
如果电动机起动频繁,则为 熔丝额定电流≥电动机启动电流/(1.6—2)
如果几台电动机合用一个熔断器,则熔丝额定电流按下式计算: 熔丝额定电流≥(最大容量电动机启动电流+其余电动机启动电流之和)/2.5
一般选用熔断器保护时,其熔丝的熔断电流按电动机额定电流的1.5~2.5倍选择。系数(1.5~2.5)视负载性质和起动方式不同而选取:对轻载起动、起动不频繁、起动时间短或降压起动者,取小值。绕线型电动机也取小值.对重载起动、起动频繁、起动时间长或直接起动者,取大值。
三、断相运行保护(又称缺相运行保护或两相运行保护)。
缺相运行保护也是一种过载保护,而一般的热继电器不能可靠地保护电动机免于缺相运行(带断电保护装置的热继电器除外)。所以在条件允许时,应单独设置缺相运行保护装置。电动机断相保护的方法和装置很多,但就执行断相保护的元件来分有:利用断相信号直接推动电磁继电器动作的电磁式断电保护,利用热元件动作的断相保护。常用的保护方法有:采用带断相保护装置的热继电器作缺相保护,欠电流继电器断相保护;零序电压继电器断相保护;利用速饱和电流互感器保护。
三相异步电动机两相运行,是引起电动机损坏的常见原因,生产当中因电源缺相而损坏的约占总损坏量的60%~70%,文中论述缺相问题。而人们对断相运行给电机造成什么样的危害,应采取什么样的保护方式合适,至今尚没有比较一致的意见。很长一段时间比较遍的观点认为;断相运行将导致电机绕组过热而损坏;认为利用温度传感器监视电动机绕组温升,是当前最直接和最可靠的断相保护万案。另一种观点认为电机断相运行将导致断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势,极易使电机绕组间击穿而损坏。实际调查中,不少维修电工抱怨电机质量欠佳,匝间短路造成电机损坏。于是,我们从电路原理上分析电感线圈断电后产生的结论是反电势很高。实验室对空载运行的电机做断相运行实验时,发生的多起电机损坏,经解剖证实系由匝间击穿短路引起的,而电机定于绕组根本没有发热。由于对断相运行给电机造成的危害认识不同,因在对电机实行断相保护时产生了两种不同的意见:认为断相给电机造成过热损坏的观点要对电机实行过热保护或过流反时限特性保护,由此产生了热继电器方案、热敏电阻方案、断相过流延时保护方案以及其他一些方案;认为断相给电机绕组造成高压反电势击穿的观点,对断相采取瞬时动作保护方案,于是一些电子式保护器问世。我认为断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势给电机造成的危害远大于过热给电机造成的危害,况且断相故障又不能自动排除,因此对电机的断相保护应瞬时动作保护而不是反时限特性保护和过热保护。电动机保护器(电机保护器)应采取动作灵敏的电子式而不是动作缓慢的机电式。至于断相后延时几秒跳闸的做法是无积极意义的。
现在,已较多采用电子电路缺相保护器、集成电路缺相保护器等,但由于电路复杂价格较贵,在小型电动机(3KW及以下)控制电路上未能普遍配套用。为什么电动机安装了熔断器保护、磁力启动器附加的热继电器保护、断路器过流保护,都不能很好地对电动机两相运行起有效保护作用呢?
首先,根据电机学原理,其如接至两相电源,其定子绕组不可能产生旋转磁场,旋转力矩为零,电动机只震动而不转动。电动机在进入两相电源起动时,实际上处于短路状态,其短路电流为三相启动时启动电流的0.866倍,而一般异步电动机启动电流为额定电流的4~7倍,故电动机在进入两相电源起动时,相当于两相短路时的电流为额定电流的3.464~6.062倍,所以上述电流,即比启动电流小,比电动机额定电流大得多。电动机两相启动时,电动机不运转,运行人员会立即发现,而且熔断器也会熔断,因为熔断器的熔断电流一般按下面两种原则选定:对于启动次数少及启动时间较短的电动机,按IH=IZ/2.5选定;对于反复起动及加速慢的电动机,按IH=IZ/(1.6~2)选定。上述两式中,I熔断器的额定电流;IZ为电动机三相启动电流。对于运转中的电动机,突然断掉一相电源后,在机械惯性作用下,在某些特定条件下尚可滞速旋转。由于电动机过电流倍数与电动机实际负荷和电动机本身最大力矩倍数K有关。当最大力矩倍数大于2时,电动机将维持两相运行,但转速大大降低,K愈大电动机两相运行时的过负荷倍数愈大。当最力矩倍数K等于2时,电动机带额定负荷并发生两相运行情况下,电动机的过电流大约为额定电流的3.5倍,此时电动机如果按规定选用的熔断器作保护,熔断器可以熔断,并起保护作用。但是,当电动机只带50%的额定负荷时,两相运行电流大致与额定电流相等。而当电动机负在50%额定负荷以上,又在额定负荷以下两相运行时,熔断器就不能可靠地起到保护作用了。正常电动机的启动电流为电动机额定电流的4~7倍。由此可以看出熔断器不可能可靠的保护电动机两相运行。第三种情况是电动机最大力矩倍数K小于2时,电动机将减速停车,直至熔断熔断丝。除了熔断器保护,在三相低压电动机保护中,还采用热继电器,作电动机过负荷保护。
其动作电流一般选用1.1倍额定电流,考虑备用裕度,以防止电动机的电压变动及环境温度变化而误切电动机,一般是按1.2~1.3倍额定电流选择热元件,依靠热力保护热惯性产生的延时,躲开起动电流。所以由热元件构成的过负荷保护,也不可能可靠保护电动机两相运行。同样对于断路器过流保护,一般按躲开电动机启动电流整定,显而易见,按这样整定值也不能正确的保护电动机两相运行。 关于电动机两相运行的保护问题,近年来各地提出很多方案,基本上可以归纳为两大类:一类是安装电动机一相熔断的信号指示,另一类是利用晶体管构成的负序保护。
采用这些方法,也有一定效果,但仍不够完善,因此推广应用还不普遍。为此可以采用双组熔断器,构成比较简单而又可靠电动机两相保护。方法是用6个熔断器,每两个并联构成三相熔断器保护,每相中的两个熔断器,一个按电动机1.2~1.3倍额定电流整定,另一个按前述熔断器额定电流公式选定。电动机起动时合上后三个熔断器,使电动机正常启动,启动结束后,再合上 前三个熔断器,再拉开后一个熔断器,使电动机正常运行。 最后应当指出,大量实践证明,要防止电动机两相运行,只有加强监视,总结经验,注意发现缺相运行的异常现象,及时切除两相运行的电动机,确保电动机的安全可靠运行。
三相异步电动机缺相保护简单保护如下:电动机电源缆线普遍采用四芯或五芯。可把那根未用的细缆线直接接在电动机接线盒内星形连接片的零序端子上,然后在接触器控制面板(箱)上固定好继电器,并按图接线即可。
四、失压和欠压(低电压)保护
为了防止电动机在过低电压下起动和运行,以及电动机在运行中突然断电后又恢复供电时的自起动,一般均采用失压和欠压保护。交流接触器的电磁机构、断路器的失压脱扣器、自减压起动器的欠压器及电压继电器等都可起失压和欠压保护作用。当电源电压低到额定电压的35~70%,电磁铁会释放,失压脱扣器会动作而切断电源。
五、过热保护
部分观点认为无论什么原因造成的故障最终都将导致电机定子绕组过热而烧毁。因此,只要防止电机绕组过热,也就保护了电机。但事实上,电机本身有绝缘耐热等级不同的区别。最高允许温升A级105℃、E级120℃、B级130℃、F级155℃、H级180℃在同样的环境温度、工作条件、温升的情况下,有的电机会损坏,有的却不会损坏。同时对于造成 电机过热原因中的轴承损坏、定转子相擦、通风不畅等该属电工定期检查和巡视检查必须发现解决的,不属保护技术主要的讨论范围。另,电机升温、降温是个缓慢变化的过程,因此我们认为只有对大中型、重要岗位工作的电机加装温升监视和过热保护装置才是必要的。并应根据不同耐热等级,在电机内部设置超温报警而后跳闸的装置。至于小型电机采用过热保护装置并不一定合算。

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